智慧銑削鋁及鋁合金策略

Gaby Zehavi，Andrei Petrilin

伊斯卡刀具國際貿(mào)易（上海）有限公司 上海 201108

1 序言

銑削鋁及鋁合金（以下簡稱銑鋁）看上去是一個(gè)非常容易的加工過程，不直接參與銑鋁加工的人們可能會持此錯誤觀點(diǎn)。他們認(rèn)為，采用經(jīng)動平衡的、鋒利的且拋光處理的刀具，并以最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，設(shè)置中等進(jìn)給速度，就可以像切黃油那樣輕松地切削鋁材。

2 鋁加工特性

相比于鋼的加工，加工鋁及鋁合金（以下簡稱鋁）所需的切削力更小，因此銑刀切削刃承受的機(jī)械負(fù)荷相對較低。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高，因而鋁加工過程生成的切屑會傳導(dǎo)出大量的切削熱，其結(jié)果是顯著降低作用于切削刃的熱載荷。源于以上屬性，銑鋁具有超高切削速度及進(jìn)給的特征。然而，這并不能確保銑鋁加工就會非常輕松。

鋁的材料特性會導(dǎo)致切削過程易產(chǎn)生積屑瘤（BUE）。這一現(xiàn)象增加了作用于切削刃的機(jī)械載荷，使得高效排屑難以達(dá)成，破壞了旋轉(zhuǎn)刀具的動平衡，導(dǎo)致整個(gè)加工過程變得低效。

采用錯誤的刀具也會影響切屑的排出。如果刀具的排屑槽容屑空間不足，銑鋁過程生成的長切屑就會堵塞刀具。為克服這一障礙，需使用齒數(shù)更少的刀具或降低切削參數(shù)，但這種行為會對生產(chǎn)率帶來消極的影響。

從可加工性的角度來看，鋁并不是一種分布均衡的材料。合金元素（尤其是硅）、材料類型（鍛造、鑄造）和材料處理方法都會影響切削性能。工件形狀、工裝條件以及加工需求（精度和表面粗糙度等）等因素增大了其自身的加工局限性，但同時(shí)這些因素也是選擇加工策略及刀具時(shí)必要的考慮因素。因此，在許多案例中鋁加工特別是銑鋁加工，往往并不是看上去那么簡單。

3 加工刀具

刀具制造企業(yè)在開發(fā)刀具時(shí)需要考慮銑鋁刀具的特定特點(diǎn)。銑鋁刀具開發(fā)成功的關(guān)鍵是對切削部分的幾何形狀、刀具材料及刃口處理方式做出正確的組合，此外還需對切削液供應(yīng)做出優(yōu)化。

銑鋁主要應(yīng)用在大型飛機(jī)部件如機(jī)翼部件、機(jī)艙門、機(jī)艙窗框等的加工中。通常而言，這類工件由整塊材料制成，毛坯往往重達(dá)數(shù)噸，為得到最終所需形狀的零部件，必須去除的材料質(zhì)量常達(dá)毛坯質(zhì)量的80%～85%。此外，全球汽車行業(yè)也是鋁的一大消費(fèi)領(lǐng)域，已引入大量硬鑄鋁材料用于汽車零部件的生產(chǎn)制造。雖然這一舉措提高了這類零部件的耐蝕性，但同時(shí)也給加工中所使用的刀具帶來了更易磨損的負(fù)面影響。

伊斯卡是一家全系列刀具產(chǎn)品供應(yīng)商，已專門為鋁的高效加工而設(shè)計(jì)開發(fā)出全套可轉(zhuǎn)位銑刀。這些高品質(zhì)刀具的每一系列都具有整體式或輕量化刀體設(shè)計(jì)、獨(dú)特的硬質(zhì)合金刀片夾持機(jī)構(gòu)原理、帶調(diào)整結(jié)構(gòu)的刀夾、各種磨制及拋光的帶不等刀尖圓角半徑的刀具，以及在鋁加工中非常普及的帶多晶金剛石（PCD）刀尖的刀片，絕大多數(shù)刀具帶有貫穿刀體的內(nèi)冷卻通孔。伊斯卡HELIALU可轉(zhuǎn)位銑刀系列能實(shí)現(xiàn)鋁的高效高速加工（HSM），確保強(qiáng)大的金屬去除率（MRR），獲得高精度及出色的表面質(zhì)量，可滿足所有鋁部件制造加工的全部品質(zhì)需求。

金屬加工工業(yè)中無論是制造大型鋁部件還是制造小型鋁部件，都需要尺寸更適中的銑刀，這些刀具的尺寸不適用于裝夾可轉(zhuǎn)位刀片，而整體硬質(zhì)合金刀具則有著明顯的優(yōu)勢。此外，整體硬質(zhì)合金立銑刀的高精度使得其在大型零部件的精密加工中是無可比擬的。因此，伊斯卡大力參與先進(jìn)整體硬質(zhì)合金銑鋁刀具的設(shè)計(jì)及開發(fā)。最近增添的革新產(chǎn)品進(jìn)一步豐富了刀具的產(chǎn)品范圍，再一次提升了為全球工業(yè)領(lǐng)域用戶帶來的價(jià)值。

伊斯卡ECR-B3-R-C系列整體硬質(zhì)合金立銑刀帶3個(gè)齒，可用于在高金屬去除率下的粗銑加工。技術(shù)創(chuàng)新的立銑刀帶有鋸齒狀切削刃，銑鋁加工時(shí)（見圖1）能將寬的切屑撕裂為易于排出的窄小切屑，同時(shí)還可提高抗振性能。切削液流經(jīng)內(nèi)冷卻通孔直達(dá)每一切削刃，使得切削液不間斷地輸送至切削區(qū)域。這些獨(dú)特的設(shè)計(jì)，結(jié)合拋光槽，顯著提高了排屑能力，大幅提高了生產(chǎn)率。此外，刀具還進(jìn)行了縮頸設(shè)計(jì)，將有助于在大懸伸加工中提高切削的穩(wěn)定性。為什么ECR-B3-R-C系列整體硬質(zhì)合金立銑刀僅有3個(gè)齒，而沒有提供更多齒數(shù)？這是因?yàn)樵阢婁X加工過程中，最重視良好的抗振性能。各種研究及金屬加工實(shí)踐表明，三齒結(jié)構(gòu)是90°主偏角的整體硬質(zhì)合金銑鋁立銑刀的最優(yōu)設(shè)計(jì)。在高效銑削中，這種結(jié)構(gòu)確保了容屑槽體積足夠，這也是保證切屑流動所必需的，同時(shí)并不增大刀振。此外，銑鋁立銑刀的主流齒型都是基于此，伊斯卡ECR-B3-R-C系列立銑刀產(chǎn)品也不例外。

圖1 整體硬質(zhì)合金立銑刀銑鋁加工中

然而伊斯卡并不滿足于現(xiàn)狀，不斷提高銑刀生產(chǎn)率的愿景促使伊斯卡開發(fā)出技術(shù)創(chuàng)新的四齒立銑刀——CHATTERFREE ECA-H4立銑刀系列，比三齒銑刀額外多出一個(gè)齒，不管是用于粗銑加工還是精銑加工，都有助于提高金屬去除率（MRR）。盡管是四齒結(jié)構(gòu)，但這個(gè)系列的立銑刀集不等螺旋角及不等齒距于一體，仍然具有令人印象深刻的抗振性能。此外，伊斯卡的刀具設(shè)計(jì)師們還成功地開發(fā)出芯部直徑及排屑槽截面面積與現(xiàn)有同等直徑三齒立銑刀ECA-H3相近的四齒銑刀。

為了滿足模具工業(yè)及航空航天領(lǐng)域三維曲面精密加工用小直徑銑刀的需求，伊斯卡最新推出了整體硬質(zhì)合金球頭立銑刀EBA-B2，帶有拋光排屑槽，直徑為1～6mm，專為苛刻而精密的需求而設(shè)計(jì)。該新系列銑刀還拓展開發(fā)了8～25mm直徑的變形金剛可換頭式立銑刀頭MM EBA，如圖2所示。

圖2 整體硬質(zhì)合金球頭銑刀及變形金剛立銑刀頭

變形金剛立銑刀系列組合刀具，包括不同配置及各種可換式銑刀頭，是銑鋁加工的理想刀具，尤其是在需刀具大懸伸的應(yīng)用中。大懸伸整體硬質(zhì)合金立銑刀由整體長度值相當(dāng)大的高成本硬質(zhì)合金棒料制成。盡管僅由立銑刀的刀頭部分直接參與切削，但在刀具磨損或突然折損后丟棄的卻是整個(gè)昂貴的棒料。而在這樣的應(yīng)用中采用變形金剛立銑刀的用戶僅需更換切削刀頭，相比之下，優(yōu)勢顯而易見。

4 結(jié)束語

綜上所述，公平公正地說，在睿智加工的前提下，銑鋁是容易的。應(yīng)用智慧、高效的加工策略，正確使用伊斯卡精選的銑刀，就能輕松得到成功的銑鋁加工結(jié)果。